煤炭清潔高效利用的探索與發(fā)現(xiàn)

童健活

(河北省煤田地質(zhì)局 第二地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000)

我國能源資源稟賦特點(diǎn)決定了必須長期堅(jiān)持煤炭清潔高效利用。在全國已探明的化石能源資源儲(chǔ)量中，煤炭占94%左右，是穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)、自主保障能力最強(qiáng)的能源。盡管煤炭在一次能源消費(fèi)中的比例將逐步降低，但在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會(huì)變化。深刻認(rèn)識(shí)我國能源資源稟賦和煤炭的基礎(chǔ)性保障作用，做好煤炭清潔高效可持續(xù)開發(fā)，是符合當(dāng)前基本國情、基本能情的選擇?，F(xiàn)階段煤炭在我國仍然是極為主要的能源，其成本比較低廉，但利用率相對(duì)低下、燃燒后污染性相對(duì)偏高。通過研發(fā)煤化工、洗煤等技術(shù)，使煤炭資源得到更清潔更高效地應(yīng)用，是中國能源界日后的發(fā)展方向。我國在經(jīng)濟(jì)方面的增速相對(duì)21世紀(jì)初已明顯減緩，稱之為新常態(tài)，也就是說這種減緩將長時(shí)間持續(xù)。而在能源方面銷售量增長也隨之減緩，總體而言，煤炭業(yè)開始出現(xiàn)供應(yīng)過剩的狀況。因此，這是我國正適合大力推進(jìn)煤炭清潔高效利用的歷史機(jī)遇。

煤炭的需求應(yīng)立足于我國國情來判斷。首先，研究我國的能源結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，煤炭不但是其核心構(gòu)成，還是現(xiàn)階段不可或缺的能源材料。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，可以預(yù)見到，煤炭仍將在中國能源總消費(fèi)量中占據(jù)很大比例。其次，我國煤炭消費(fèi)數(shù)量巨大。在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，我國每年煤炭的消費(fèi)量還將維持在30億～40億t。煤炭的使用安全且經(jīng)濟(jì)，煤炭?jī)r(jià)格大約為石油的10%、為天然氣價(jià)格的30%，并且我國煤炭資源對(duì)國外沒有依賴性。

現(xiàn)階段，我國煤炭產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在綠色開采、清潔生產(chǎn)等方面有所突破，通過研發(fā)燃燒技術(shù)煤炭的利用率與清潔度均有所改善，以煤作為原材料的相關(guān)產(chǎn)業(yè)也在技術(shù)上達(dá)到了新的高度。隨著國家全面實(shí)施能源政策改革以及煤炭清潔技術(shù)的持續(xù)升級(jí)，我國完全有能力高效運(yùn)用清潔煤炭。煤炭清潔技術(shù)實(shí)質(zhì)上并非單項(xiàng)技術(shù)，而是多項(xiàng)技術(shù)所構(gòu)成的一整套體系，即依托洗煤技術(shù)、煤氣化、轉(zhuǎn)化技術(shù)，著重運(yùn)用轉(zhuǎn)化、加工、潔凈燃燒等方法，最大化實(shí)現(xiàn)煤炭的充分燃燒，并將該過程所釋放的污染物降到最低。

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煤炭的生產(chǎn)量和使用量一直居高不下。當(dāng)前就全球而言在煤炭方面我國雖然產(chǎn)量最高，但耗費(fèi)量也最高。所以，如果能夠全面應(yīng)用清潔煤技術(shù)，能夠顯著推動(dòng)我國挖掘能源優(yōu)勢(shì)、發(fā)展優(yōu)質(zhì)能源，對(duì)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，提高能源效率、實(shí)現(xiàn)中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

1 國外清潔高效利用煤炭的經(jīng)驗(yàn)

發(fā)達(dá)國家極為注重對(duì)煤炭資源高效燃燒技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。歐洲、美國、日本等均基于自身國情，專門針對(duì)該方面出臺(tái)多項(xiàng)指導(dǎo)性極強(qiáng)的研究計(jì)劃，產(chǎn)業(yè)界也紛紛響應(yīng)，因此積累了許多經(jīng)驗(yàn)。

為盡可能地減輕對(duì)環(huán)境的傷害以及降低石油、天然氣的過高使用率，使經(jīng)濟(jì)得以持續(xù)增長，歐洲各國積極推動(dòng)潔凈煤技術(shù)的研究與應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，歐洲各國共同制定了“兆卡計(jì)劃”，有力地推動(dòng)了歐洲煤炭清潔高效利用的發(fā)展。以德國為首的原煤洗選、型煤加工、煤轉(zhuǎn)化、煤高效燃燒、煙氣脫硫、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(IGCC)等技術(shù)均獲得顯著突破[1]。2003年2月，英國貿(mào)工部發(fā)布了“能源白皮書”，明確提出了發(fā)展燃煤電廠清潔高效利用煤炭技術(shù)。2008年，英國提出“氣候變化法案”，要求新的煤炭利用必須強(qiáng)制配套碳的捕獲和存儲(chǔ)裝置[2]。

1985年左右，由于美國與鄰國加拿大的環(huán)保壓力日益增大，美國首先在全球致力于研發(fā)煤炭清潔高效利用技術(shù)；1986年發(fā)布了“潔凈煤技術(shù)示范計(jì)劃(CCTDP)”；2002年起又發(fā)布了為期10年的新一輪煤炭清潔高效利用發(fā)電計(jì)劃(CCPI)；2015年8月，發(fā)布了“清潔電力計(jì)劃”，根據(jù)該計(jì)劃，2030年美國煤炭發(fā)電廠的碳排放量要比2005年降低32%以上[3]。

日本在美國公布CCTDP七年后也提出“新陽光計(jì)劃”[4]，并成立“潔凈煤技術(shù)中心”，其隸屬于“新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)”，全面負(fù)責(zé)該國在清潔煤與新能源方面的統(tǒng)制、決策、協(xié)調(diào)與實(shí)施，著重針對(duì)煤炭研發(fā)更先進(jìn)的轉(zhuǎn)化與發(fā)電技術(shù)。而通產(chǎn)省則推出“二十一世紀(jì)煤炭計(jì)劃”，計(jì)劃以2030年為期限，分3步開發(fā)煤炭清潔高效利用技術(shù)，包括煙氣除硫、除氮、除塵、煤液化、水煤漿、煤氣化、煤化工原料等內(nèi)容。通過這些計(jì)劃的實(shí)施，日本已在流化床IGCC、燃燒、燃煤污染物控制和煤轉(zhuǎn)化技術(shù)等方面取得了一系列的研究成果。21世紀(jì)初，該國還推出《新國家能源綱要》，旨在促進(jìn)煤氣化與燃煤強(qiáng)化燃料電池2項(xiàng)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的全面實(shí)施與升級(jí)。

隨著對(duì)環(huán)保問題日益嚴(yán)格的管控，各個(gè)發(fā)達(dá)國家在清潔高效利用方面的投入和研發(fā)始終在提升，該方面的技術(shù)能力也因此得以持續(xù)提升，NOx、SO2、煙塵等物質(zhì)的排放量得以持續(xù)縮減。各國圍繞裝備制造、能源開發(fā)等領(lǐng)域展開研究，重點(diǎn)研究多聯(lián)產(chǎn)、IGCC和CO2捕集儲(chǔ)存(CCS)等裝備與技術(shù)，煤炭的清潔利用及“近零排放”技術(shù)再次成為了能源領(lǐng)域的重要研究方向。

2 我國煤炭清潔高效利用的現(xiàn)狀

自2001年起，中國始終致力于追求煤炭的清潔高效利用，并將其列為科研方面的戰(zhàn)略目標(biāo)。在綠色安全開采、加工提質(zhì)、高效轉(zhuǎn)化、燃燒發(fā)電、控制污染物、有害氣體減排等方面進(jìn)行了持續(xù)研究，并取得了一系列的重要成果，有力地支持了我國創(chuàng)新和發(fā)展煤炭的清潔高效利用技術(shù)的發(fā)展。然而，就全球而言，中國在該方面的技術(shù)仍相對(duì)偏低，亟須進(jìn)一步發(fā)展和完善。

3 清潔高效利用煤炭的途徑與措施

我國環(huán)境污染與煤炭的隨意開采和低效利用密切相關(guān)，而當(dāng)前我國打造環(huán)保經(jīng)濟(jì)和低碳社會(huì)卻是國民的普遍需求。因此，針對(duì)該產(chǎn)業(yè)研發(fā)更科學(xué)、潔凈、高效的技術(shù)，必然會(huì)成為日后我國能源戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分。為此，國家還專門出臺(tái)文件，要求煤炭行業(yè)在“十二五”期間著重關(guān)注煤炭的清潔高效利用。所以，如何在該方面找到契合中國實(shí)際國情的發(fā)展道路并最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，是我國今后需要解決的關(guān)鍵問題。筆者認(rèn)為，我國煤炭的清潔高效利用可從以下幾點(diǎn)著手。

3.1 提高原煤的入洗率

對(duì)煤炭原煤而言，灰分與硫分是其主要雜質(zhì)，當(dāng)其燃燒時(shí)，這2種物質(zhì)將分解生成煙塵、NOx、SO2等污染物，并隨著煙氣向外排放，借助洗選加工，原煤中的雜質(zhì)將被部分剔除，從而實(shí)現(xiàn)一定的脫硫除灰效果。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前常用的選洗煤技術(shù)就能夠使原煤的硫分與灰分分別下降30%～40%與50%～70%。煤炭經(jīng)洗選后，能大幅度減少污染物的排放。經(jīng)計(jì)算，入選1×108t煤炭原煤可減少SO2排放量100×104～150×104t，其經(jīng)濟(jì)成本僅為煙氣脫硫的10%左右[5]。當(dāng)煤燃燒時(shí)，其所涵括的礦物質(zhì)將因?yàn)槭軣岫纸?。?duì)煤而言，其熱值與灰分呈反比。因?yàn)槊和ㄟ^燃燒釋放能量時(shí)，若灰分偏高，不但需要耗費(fèi)更多熱量進(jìn)行分解，留存在爐渣內(nèi)的熱量也會(huì)有所損失。煤中灰分高，也會(huì)影響煤燃燒過程中的傳熱效率。通過對(duì)原煤實(shí)施洗選與加工，在燃燒時(shí)不但能夠使熱值有所上升，還能夠使其利用率有所上升。

2009年，在中國原煤與動(dòng)力用煤的入洗率大概分別為43%與20%，而煤炭產(chǎn)業(yè)比較發(fā)達(dá)的國家，例如，俄羅斯、美國大概分別為55%與40%。通過測(cè)算發(fā)現(xiàn)，假如我國能將洗選的動(dòng)力用煤增加20%，則年均大概能夠少消耗34 000 t標(biāo)準(zhǔn)煤。所以，我國在煤炭洗選方面還有較大的上升空間，煤炭清潔高效利用措施的首選應(yīng)當(dāng)為提高煤炭的入洗率。

鑒于此，發(fā)改委于2007年出臺(tái)煤炭產(chǎn)業(yè)政策，要求各地市如需要上馬大中型煤礦，必須相應(yīng)上馬具備同等處理能力的選煤廠，假如礦區(qū)煤礦多為中小型，則倡導(dǎo)其上馬可處理所有產(chǎn)能的選煤廠。“十二五”期間我國相繼出臺(tái)政策支持和引導(dǎo)煤炭洗選，而這必將推動(dòng)煤炭界提升原煤洗選率。

3.2 大力推廣煤炭清潔高效燃燒技術(shù)

燃燒測(cè)試表明，如果窯爐能夠優(yōu)化燃燒方式，不但能夠顯著提升燃燒效率，對(duì)環(huán)境的損害也有所減輕。而新型與低NOx是現(xiàn)階段2種既清潔又高效的主流燃燒技術(shù)。

改善煤的燃燒方式，可減少燃煤后產(chǎn)生的主要污染物。因?yàn)閮?yōu)質(zhì)的燃燒方式能夠使煤炭的燃燒更合理，能夠少生成氮氧化物，其排放量自然也會(huì)相應(yīng)減少。因此，大力推廣使用低NOx燃燒技術(shù)是有必要的。

當(dāng)前比較先進(jìn)的主流燃燒技術(shù)涵括整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)、增壓式流化床、循環(huán)式流化床等。在1980年前后，中科院就開始著手研究后2項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗鼈兙邆錁O高的清潔度與燃燒效率，對(duì)環(huán)境的損害也相對(duì)較小。燃燒時(shí)可以經(jīng)由添加脫硫劑來減少SO2的生成量，通過使原煤更為充分地燃燒，有效減少副產(chǎn)品NOx的產(chǎn)生。經(jīng)過多年來的大力推廣，現(xiàn)階段在我國諸多大型鍋爐都已經(jīng)或計(jì)劃將循環(huán)流化床作為自身的原煤燃燒方式。

增壓流化床燃燒技術(shù)，除擁有循環(huán)流化床類似的優(yōu)勢(shì)外，還能通過對(duì)燃料增壓燃燒，使得脫硫效率和燃燒效率獲得更多的提升。

整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)指通過有效融合高效聯(lián)合循環(huán)與煤氣化2項(xiàng)技術(shù)所發(fā)展而成的。該技術(shù)系統(tǒng)的工作過程為：首先經(jīng)由氣化使固體煤炭成為低熱氣體，再對(duì)所生成的氣體進(jìn)行凈化處理，能夠有效剔除附著于其中的SO2、粉塵、NOx等雜質(zhì)。此時(shí)煤氣將變成潔凈度極高的燃料氣體，再利用其作原材料來發(fā)電，所釋放出的雜質(zhì)氣體通過引導(dǎo)流進(jìn)余熱鍋爐生成高熱蒸汽，然后流進(jìn)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。由此可見，該技術(shù)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于煤炭的高利用率與低排放率。因此，大力推進(jìn)煤炭清潔高效燃燒技術(shù)的發(fā)展，對(duì)我國節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境方面有重要的影響與意義。

3.3 加強(qiáng)燃煤煙氣的凈化

在煤炭開采、使用和生產(chǎn)過程中，雖然我國已經(jīng)采取了許多措施來預(yù)防和控制污染，但煤在燃燒過程中仍會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，對(duì)環(huán)境造成污染。所以，還必須借助脫硫、脫氮、除塵等舉措來減輕煙氣污染。

近幾年，中國通過實(shí)施除硫、除氮、除塵等有效舉措，在減少煤炭燃燒所導(dǎo)致的SO2、粉塵、NOx等以及煙氣的排放量方面已有所成效。雖然我國煤炭消費(fèi)量仍然在持續(xù)升高，但煙塵排放量及氧化硫排放量卻持續(xù)在降低，有效減輕了煤炭使用對(duì)環(huán)境的壓力，對(duì)改善區(qū)域內(nèi)大氣環(huán)境的質(zhì)量、控制煤煙型大氣污染有著積極的作用[6]。

目前在我國部分城市因?yàn)闊煔馀欧潘l(fā)的空氣污染、酸雨等環(huán)境問題依然較為嚴(yán)重。此外，中國目前的能源結(jié)構(gòu)使得國家難以有效抑制煤炭需求，反而不得不面對(duì)其持續(xù)增加的事實(shí)。可以預(yù)見，未來數(shù)年甚至數(shù)十年，SO2、粉塵、NOx等物質(zhì)在空氣中的濃度比會(huì)持續(xù)上升。因此，應(yīng)針對(duì)燃煤煙氣積極實(shí)施凈化技術(shù)，加緊實(shí)施相關(guān)凈化設(shè)施。這樣能夠使煤炭燃燒少生成SO2、粉塵、NOx等物質(zhì)，自然有助于完成“十二五”規(guī)劃中使上述物質(zhì)實(shí)施減排的能源目標(biāo)。

3.4 改變煤炭利用的方式

對(duì)煤炭而言，以往盛行的利用手段是直接進(jìn)行燃燒，然而，借助相關(guān)技術(shù)使其成為液體、氣體、電能等環(huán)保能源以及通過化工手段對(duì)其進(jìn)行加工，是現(xiàn)在中國煤炭清潔高效利用的關(guān)鍵走向與發(fā)展潮流。中國對(duì)煤炭的利用與加工已經(jīng)有所突破，但如果忽略煉焦與煤化工，我國在該方面的規(guī)模依然相對(duì)較小。因此，筆者認(rèn)為，我國應(yīng)該在燃煤以及煤炭氣化、煤炭液化、煤炭焦化、型煤加工等領(lǐng)域繼續(xù)予以突破。同時(shí)要不斷深挖煤炭在工業(yè)原料方面的功用，進(jìn)一步加快其深加工步伐，使其成為潔凈高效的能源以及進(jìn)入石化業(yè)替代某些產(chǎn)品。

3.5 進(jìn)一步加大煤炭的分質(zhì)和提質(zhì)利用

我國總體煤炭資源中大概有40%為低質(zhì)煤，該類煤炭的缺陷在于極高的水分、硫分、灰分，它也是導(dǎo)致煤炭利用率低下、排放嚴(yán)重超標(biāo)的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)低品質(zhì)煤的提質(zhì)工作，嚴(yán)格控制高硫高灰煤的利用和生產(chǎn)。對(duì)其他的煤種也應(yīng)該實(shí)行分質(zhì)利用，將煤炭中低熱值的輕組分、碳?xì)浠衔锖透邿嶂档奶糠蛛x開來，物盡其用，最大限度地提高煤炭的利用率并降低污染。同時(shí)還可按照用戶特性來供煤，例如：民用對(duì)硫、灰含量有要求，優(yōu)先供給低硫低灰分的煤炭；化工業(yè)需要塊煤；冶金業(yè)對(duì)熱值有要求，供給精煤；發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)品質(zhì)有要求，供給粉煤、次煤。除此以外，在配煤方面引入先進(jìn)技術(shù)，并結(jié)合燃煤設(shè)備的特性，能夠針對(duì)每種煤最大化地?fù)P長避短。之所以要采取上述措施，旨在最大化地挖掘燃燒效率，從而達(dá)到少排放、少用煤之目標(biāo)。

3.6 熱力、電力相關(guān)企業(yè)加大煤炭的清潔高效利用

我國曾經(jīng)針對(duì)大氣污染物做過全國普查，首次普查的結(jié)果表明，目前氮氧化物、SO2、煙塵等為主要污染物，而這3種物質(zhì)分別有61.7 %、50.4%、32.0%來自發(fā)電或供暖企業(yè)[7]。由于我國經(jīng)濟(jì)的急劇增長，所耗費(fèi)的電力隨之持續(xù)上升。但是現(xiàn)階段的能源結(jié)構(gòu)使得我國難以在短時(shí)間內(nèi)淘汰火力發(fā)電，反而需要在該方面持續(xù)推出新項(xiàng)目，也必將釋放更多的煙塵、SO2、氮氧化物，加重環(huán)保壓力。因此，發(fā)電企業(yè)及供暖企業(yè)應(yīng)該針對(duì)煤炭燃燒加速研發(fā)有關(guān)技術(shù)，淘汰相關(guān)落后產(chǎn)能，加強(qiáng)節(jié)能減排，優(yōu)化火電發(fā)展，從而真正減少火電廠由于煤炭燃燒不充分所釋放的污染物，進(jìn)一步加快我國空氣品質(zhì)的提升，促進(jìn)我國火電產(chǎn)業(yè)更長遠(yuǎn)健康地發(fā)展。

4 結(jié)語

煤炭既是極為關(guān)鍵的基礎(chǔ)能源，也是能源結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)成，同時(shí)可以預(yù)見未來這種狀況必將長時(shí)間持續(xù)。高速發(fā)展的煤炭產(chǎn)業(yè)為我國的社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)進(jìn)步均作出了重要的貢獻(xiàn)，但隨之而來的環(huán)境、生態(tài)等問題尚未完全得到有效解決，解決這些問題的主要方法就是對(duì)煤炭進(jìn)行清潔高效開發(fā)利用。推廣煤炭的清潔高效利用技術(shù)，不僅可以顯著增加其利用率、減排CO2等污染物，而且還可以改變能源消費(fèi)的總體局面。煤炭的清潔高效利用，有助于我國立足自身的資源儲(chǔ)量規(guī)劃今后的能源消耗，對(duì)確保能源的足量供應(yīng)有著重要的意義。

中國應(yīng)該通過研發(fā)與創(chuàng)新，推動(dòng)自身在煤炭的開采與消耗方面取得突破，持續(xù)提升在清潔煤炭開發(fā)利用方面的技術(shù)能力，減輕資源和環(huán)境的壓力，這對(duì)于煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展也具有特別重要的戰(zhàn)略意義。清潔高效利用煤炭既有助于提升能源開發(fā)與利用方面的技術(shù)能力，還有助于經(jīng)濟(jì)的快速成長與運(yùn)行，使能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)得到和諧發(fā)展，帶動(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)成長，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長。